碱金属掺杂的ZnO薄膜的电子传输特性及在有机光电器件中的应用

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近年来,有机电子由于其成本低、可柔性、质轻、分子设计多样性等优点,吸引了越来越多的关注。有机电子器件包括有机发光器件(Organic Light-Emitting Devices,OLEDs)、光伏电池(Organic Photovoltaics,OPVs)、场效应晶体管(Organic Field Effect Transistors,OFETs)以及光电探测器和存储器等,在信息技术应用方面展现出巨大的应用前景。有机光电器件中的电子注入和传输对器件的性能起着重要的作用。氧化锌(ZnO)因其高电子迁移率和可见光透过率,以及大面积卷对卷制造等优点,被认为优异的n型半导体之一。研究发现掺杂型的ZnO具有更高的电荷载流子迁移率和较好的能级匹配,有利于提高了薄膜电子注入和传输能力。本论文系统研究了氢氧化锂(LiOH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)等碱金属阳离子,锂卤盐(LiF、LiCl、LiBr、LiI)等阴离子,以及8-hydroxyquinolatolithium(Liq)掺杂的氧化锌对其薄膜及其有机光电器件性能的影响。首先,本文提出一种新颖的溶液法工艺,制备了三种碱金属(LiOH、NaOH和KOH)掺杂的ZnO薄膜。分别测量了非掺杂和不同碱金属离子掺杂的ZnO薄膜的表面形貌,光物理和电学性质。首次提出将碱金属掺杂的ZnO薄膜作为电子注入层(EIL)应用到以三(8-羟基喹啉)铝(Alq3)为发光层的OLEDs中,以改善从阴极注入的电子能力;并研究了不同掺杂浓度和不同碱金属阳离子的ZnO掺杂薄膜作为EIL对OLEDs器件性能的影响。结果发现,10%摩尔比为最优掺杂浓度,器件亮度和电流效率与基于纯ZnO EIL器件相比,都得到明显提高。进一步发现基于10%KOH掺杂的ZnO的器件在100 cd m-2亮度值下,最大电流效率可达到6.6 cd A-1。此外,在基于聚(3-己基噻吩)(P3HT):[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的倒置OPVs中,采用碱金属掺杂的ZnO作为阴极缓冲层。同样发现,基于10%KOH掺杂ZnO薄膜的OPVs器件表现出最优的性能。与纯ZnO缓冲层相比,10%K+掺杂的ZnO缓冲层器件的开路电压(Voc)从0.61 V提高到0.62 V,填充因子(FF)从0.55增加到0.62,短路电流(Jsc)8.37 mA cm-2提高到8.50 mA cm-2。其次,本文采用相同工艺制备了LiF,LiCl,LiBr,LiI掺杂ZnO薄膜,旨在探究锂盐中阴离子对ZnO薄膜影响。在OLEDs中使用不同的卤化锂掺杂的ZnO薄膜作为EIL,以改善从阴极注入电子能力,并调查了不同卤化锂掺杂比的ZnO EIL对OLEDs性能的影响。对比发现,10%掺杂的卤化锂掺杂ZnO薄膜性能相对优异。与LiF,LiCl和LiI+ZnO EIL相比,10%LiBr+ZnO EIL的最大电流效率为6.0 cd A-1,并表现出较低的效率滚降。此外,使用这些掺杂的ZnO薄膜作为缓冲层制备了基于P3HT:PCBM的倒置型OPVs器件,发现基于10%LiF+ZnO的OPVs器件表现出最好的性能。最后,本文采用Liq梯度掺杂ZnO(Li-ZnO)薄膜作为EIL,应用于倒置OLEDs。通过采用新颖的热退火工艺,诱导Liq的Li离子扩散到ZnO薄膜中,进而制备出梯度掺杂的Li-ZnO EIL。相比于纯ZnO薄膜器件,UV处理的Li-ZnO EIL应用到Alq3作为发光层的倒置OLEDs电流效率最大可达4.42 cd A-1。器件性能的提高归因于由于Li-ZnO层的引入,提高了电子注入和传输能力,UV处理钝化了ZnO层缺陷态,从而提高了器件稳定性。
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